对OTDR测试精确度问题的分析

当需要对光纤接头损耗进行精确测试时， 为取得可信的结 果， 动态范围必须留有一定的余量（ ｄＢ） 。接头损耗值越小， 测试
盲区是指 ＯＴＤＲ 的接收器从饱和到能进行测试所需要的时 间。盲区的宽度定义有两种： （ １） 饱和起点至曲线从饱和处下降 ０．５ ｄＢ 的点， 即 Ｄ１； （ ２） 饱和起点至曲线从正常衰减起点向上抬 升 ０．５ ｄＢ 的点， 即 Ｄ２， 如图 ３ 所示。由图可见， 两种取法的宽度 是不一样的， 很明显 Ｄ１ ＜ Ｄ２。其实， 盲区是由 ＯＴＤＲ 的测试光脉 冲遇到光纤链路中的活动连接点等光纤的不连续点而产生的菲 涅尔反射造成。从理论上说， 如果 ＯＴＤＲ 的测试光脉冲是完全 的矩形脉冲， 在时间 上 ， 盲 区 的 宽 度 就 是 ＯＴＤＲ 测 试 光 脉 冲 的 宽度。设测试光脉冲宽度为 τ， 在距离上， 盲区的宽度为 τＣ／ｎ（ 这 里 Ｃ 为真空中的光速， ｎ 为光纤的折射率） 。
１ 引言
在光缆线路工程建设和日常维护工作中， ＯＴＤＲ 是 使 用 率 最高的测试仪表之一。通过对 ＯＴＤＲ 所显示的背向散射曲线进 行分析， 可以掌握光缆线路或光纤链路的全程情况。在理解了 ＯＴＤＲ 的一般工作原理和基本技术参数的情况下， 采用 ＯＴＤＲ 对光纤进行测试， 能对出现的光路障碍快速准确地定位。
线有足够的分辨率， 能看清光纤沿线上每一点的情况。一般是
根据被测光纤长度先选择一个适当的测试脉宽， 经过一二次测
试后， 再确定一个最佳值。
６ ＯＴＤＲ 的盲区和死区
图 １ ＯＴＤＲ 的动态范围
ＯＴＤＲ 能 测 试 的 最 大 距 离 受 到 最 大 量 程 和 动 态 范 围 的 限 制， 假设被测光纤长度为 Ｌ（ ｋｍ） ， 平均损耗为 α（ ｄＢ／ｋｍ） ， ＯＴＤＲ 的量程为 Ｍ（ ｋｍ） ， 动态范围为 Ｄ（ ｄＢ） ， 要正常测试必须同 时 满 足 αＬ ＜ Ｄ 和 Ｌ ＜ Ｍ， 即必须保证 Ｌ ＜ ｍｉｎ（ Ｍ， Ｄ／α） 。 ４．２ 有效动态范围（ 可用动态范围）
移动 ２５ 步为 １ 满格。在这种情况下， 光标每移动一步， 即表示 减去余量即为有效动态范围。有效动态范围如图 ２ 所示。欲测接
移动 １ ｍ 的距离， 所以读出分辨率为 １ ｍ。如果水平刻度选择 ２ ｋｍ／格， 则光标每移动一步， 距离就会偏移 ８０ ｍ。也就是说， 测
头损耗大小 αＳ 与要求的余量如表 １ 所示。
（ｎ１－
ｎ０）＝
ＣＴ ２ｎ０ｎ１
Δｎ
（１）
其中： Ｔ 为光从入射至反射回来所用的时间， Ｃ 为光在真空中传
播的速度。
长度的相对误差则为
ΔＬ Ｌ０
＝
Δｎ ｎ１
（２）
由式（２）可以算出， 当折射率每 偏 差 ０．００１ 时 ， 引 起 １ ｋｍ 光
纤大约 ０．７ ｍ 的误差（０．７ ｍ／ｋｍ）。所以对于较长的光纤段， 测试时
在背向散射信号曲线上， 幻峰滞后于其对应的真峰（ 二次反 射峰滞后 于 其 对 应 的 真 峰 的 距 离 是 真 峰 到 测 试 端 ＯＴＤＲ 的 距 离）， 如图 ４ 所示。城域光缆线路中继段大都很短， 在很多情况 下， 一个光传输系统的传输链路往往要跳过几个分局， 占用几个 中继段光缆。在跳接局内， 光纤传输链路一般是通过光纤跳线连 接， 每条光纤链路在跳接局内至少有两个活动连接器， 活动连接
分辨率。对于一定长度的光纤， 前两项是常量， 分辨率是可变的，
所以要提高测量精度， 采样点数必须设置在较高的数值上。
ＯＴＤＲ 测试距离的分辨率为 １ ｍ， 是指把曲线放大到水平
电信科学 ２００５ 年第 １２ 期
刻度为 ２５ ｍ／格时才能实现的测试精度。仪表设计是以光标每 时要求的精确度就越高， 相应所需的余量也就越大。动态范围
３ ＯＴＤＲ 光纤折射率的选择
现 有 单 模 光 缆 线 路 光 纤 的 折 射 率 基 本 在 １．４６０ ０～１．４８０ ０ 范围内。对于 Ｇ．６５２ 单模光纤， 实际测试时若用 １ ３１０ ｎｍ 波长，
６０
一般选择 １．４６８ ０； 若用 １ ５５０ ｎｍ 波长， 一般选择 １．４６８ ５。若折
峰 时 用 ＯＴＤＲ 测 试 的 长 度 比 有 菲 涅 尔 反 射 峰 时 测 试 的 长 度 略
短。光纤的末端端面不平直或受到污染， 背向散射信号曲线的末 端可能无菲涅尔反射峰。在光缆线路受到外力作用而阻断， 断点
图 ２ ＯＴＤＲ 的有效动态范围
处光缆头被埋压在泥土里， ＯＴＤＲ 测试常会出现背向散 射信号曲线的末端无菲涅尔反射峰的情况。
幻峰的产生如图 ５ 所示， Ａ 点为活动连接点， Ｂ 点为活动连 接点或为光纤的末端， ＯＴＤＲ 注入的测试光脉冲较强， 到达 Ｂ 点 产生反射， 反射光功率仍然很强， 在回程中遇到第一个活动接头 Ａ， 在 Ａ 点反射， 一部分光重新反射回 Ｂ 点， 这部分光到达 Ｂ 点 后 ， 再 次 被 反 射 回 ＯＴＤＲ。Ｂ 点 二 次 反 射 回 ＯＴＤＲ 的 光 到 达 ＯＴＤＲ 时仍然较强， 被 ＯＴＤＲ 接收处理形成具有反射峰的曲线 显示出来。如果 Ｂ 点是光纤末端的话， 显示的背向散射曲线好 像 Ｂ 点后还有一段光纤。如果 Ｂ 点不是光纤的末端， Ｂ 点的二次 反射会叠加在曲线上， 好像 Ｂ 点后（ 距离等同 Ａ 到 Ｂ） 有一活动 接头。Ｂ 点的二次反射滞后其一次反射的时间是光从 Ｂ 点传到
２ ＯＴＤＲ 的量程
ＯＴＤＲ 的量程是指 ＯＴＤＲ 的横坐标能达到的最大距离。测 试时应根据被测光纤的长度选择量程， 量程是被测光纤长度的 １．５ 倍比较好。从实际经验看， 不管是进行长度测试还是损耗测 试 ， 能使背向散射曲线大 约 占 到 ＯＴＤＲ 显 示 屏 的 ７０％， 就 能 得 到比较好的结果。
试时选择的量程范围越大， 测试结果的偏差就越大。所以， 测试
光纤线路全长时， 先把光标移动到背向散射信号曲线末端的菲
涅尔反射峰的前沿， 再局部放大该处曲线到 ２５ ｍ／格， 然后进一
步移动光标， 使其最靠近菲涅尔反射峰的前沿， 这样便得到分辨
率为 １ ｍ 的比较精确的测试结果。
根据实际经验， 同样长度的光纤线路， 当末端无菲涅尔反射
ＯＴＤＲ 最主要的也是最重要的测试内容是光纤长度测试和 光纤损耗测试。精确的光纤长度测试有助于光缆线路或光纤链 路的障碍定位。 光纤损耗测试能反映光纤或光纤链路全程或 局部的质量， 包括光缆敷设质量、光纤接续质量以及光纤本身质 量等。要分析 ＯＴＤＲ 测试精确度问题， 就要研究 ＯＴＤＲ 测试参 数的设置和技术指标对测试结果的影响， 掌握量程、测试脉宽、 折射率等的选择， 了解动态范围、盲区、死区、精度等技术指标的 意义。
８ 幻 峰 对 ＯＴＤＲ 采 用 ＬＳ Ａ 模 式 测 量 光 纤 接 头损耗的影响
一般情况下， 用 ＯＴＤＲ 测量光纤接头损耗都采用 ＴＰＡ（ 两点 法） 工作模式， 用 ＴＰＡ 模式测量光纤接头损耗波形曲线如图 ６ 所示。在背向散射信号曲线波形的信噪比比较低的情况下， 采用 ＴＰＡ 模式测量光纤接头损耗会出现较大的误差。这是因为标记 “＊”号（ 测试光标） 的设置与测试结果关系较大， 而在信噪比比较 低 的 波 形 图 上 很 难 准 确 地 设 置“＊”号 。 在 信 噪 比 比 较 低 的 情 况 下， 可采用 ＬＳＡ （ 最小二乘法） 工作模式测量光纤接头损耗。用 ＬＳＡ 模式测量光纤接头损耗波形曲线如图 ７ 所示。测试“＊”号 设置在接头点损耗台阶的前沿， 此时， ＯＴＤＲ 的 ＣＰＵ 会自动在 “＊”前后按一定规律选择 １、２、３、４ 四点。设过 １、２ 两点的近似直 线为 Ｌ１： Ｙ＝ａ１Ｘ＋ｂ１， 过 ３、４ 两点的近似直线为 Ｌ２： Ｙ＝ａ２Ｘ＋ｂ２， ＣＰＵ 同时根据最小二乘法原理按照式（ ３） 、（ ４） 自动地在 １、２ 两点之 间 随 机 地 抽 取 编 码 数 据 样 点（Ｘ１，Ｙ１）、（Ｘ２，Ｙ２）、… 、（Ｘｎ， Ｙｎ）， 在 ３、４ 两 点 之 间 随 机 地 抽 取 编 码 数 据 样 点（Ｘ１，Ｙ１）、（Ｘ２，Ｙ２）、… 、（Ｘｎ， Ｙｎ）。 抽样点的多少由 ＯＴＤＲ 的 测 试 精 确 度 决 定 ， 抽 样 点 越 多 ， 测 试 精确度越高。Ｅ１、Ｅ２ 达到极小值时所对应的 ａ１、ｂ１ 和 ａ２、ｂ２ 的值是 最佳值。直线 Ｌ１ 和 Ｌ２ 在“＊”号垂直轴上的截距｜ＰＱ｜即为光纤的 接头损耗。
射率选择不准， 则会影响测试长度的准确性。
３．１ 折射率偏差引起的长度误差
假 设 被 测 光 纤 的 折 射 率 为 ｎ０， 实 际 长 度 为 Ｌ０， 在 测 试 时 ＯＴＤＲ 选择的折射率为 ｎ１， 测得的长度为 Ｌ１， 这时的长度误差 ΔＬ 为
ΔＬ＝Ｌ０－
Ｌ１＝
ＣＴ ２ｎ０
－
ＣＴ ２ｎ１
＝
ＣＴ ２ｎ０ｎ１
前边对于 ＯＴＤＲ 的盲区和死区的讨论参照的是前端的菲涅 尔反射峰， 光纤链路中的活动连接点基本上都存在菲涅尔反射， 背向散射曲线上对应的范围也有盲区和死区。
表 ２ 所 示 是 某 ＯＴＤＲ 的 测 试 光 脉 冲 宽 度 与 盲 区 宽 度 对 应 关系。
７ 幻峰问题
用 ＯＴＤＲ 对光纤线路进行测试时， 常会发现 ＯＴＤＲ 屏幕上 显示的背向散射信号曲线在不该凸变处出现了类似菲涅尔反射 峰的假象的峰值凸变， 这种假象的峰值被称为幻峰。其实， 幻峰 是由于光纤线路中某点的大菲涅尔反射而引起的二次及其以上 反射的结果。所以， 习惯上也把幻峰称为二次反射峰。
图 ４ 幻峰示意
器通常都存在菲涅尔反射， 尤其是经过跳接局较多的光纤传输 链路， 用 ＯＴＤＲ 进行全程测试时， 其背向散射信号曲线上会出现 很多反射峰， 甚至出现真峰和幻峰重叠的现象。一般测试距离对 应活动连接点的反射峰为真峰， 其余则可能为幻峰。但是， 在实 际测试中， 有时很难分辨何为真峰， 何为幻峰。因此， 幻峰的存在 会在一定程度上影响光纤的测试精确度。例如， 当所测试的光纤 传输链路较长且有多个活动接头时， 就需要将 ＯＴＤＲ 的测试光 脉冲功率设置得比较强， 这样会使离 ＯＴＤＲ 较近的活动接头易 产生较强的菲涅尔反射而伴随产生幻峰。在光纤线路故障点定 位测试时， 常会把幻峰当作光纤线路故障点的菲涅尔反射峰， 从 而导致光纤线路故障点定位判断错误。